面波检测技术在海河隧道沉管基础处理中的应用

程志强

(中铁十八局集团第五工程有限公司,天津 300459)

1 工程概况

中央大道海河隧道工程位于滨海新区,工程线路全长4.2 km,穿越海河255 m采用沉管法工艺,是华北地区第一条沉管隧道。由于天津市属于高震区,隧道工程按照八度设防。沉管基础设计为60 cm厚碎石层和40 cm厚膨润土砂浆,管段沉放对接后在管内进行注浆。管段基础处理如图1所示。

图1 管段基础注浆处理示意

按设计要求,该工程基础处理要求注入的水泥膨润土混合砂浆应充分填充碎石层面至隧道底的空隙部位,保证注浆压力适当,保证砂浆能够顺利扩散。通过采用面波检测技术,为管段的基础注浆提供检测数据,及时掌握注浆的扩散程度、充盈度等情况,为停止注浆提供参考依据。

2 面波检测原理

面波最常见的有瑞雷面波和勒夫面波。其中瑞雷面波的介质质点的振动轨迹为一椭圆,而勒夫面波的介质质点的振动与传播方向垂直且平行于介质表面。面波不但能量强,而且衰减比体波慢。这是利用面波进行无损检测和勘探的有利之处。

根据波动方程理论,在均匀介质中,纵波速度Vp和横波速度Vs的表达式分别为

式中：Vp为纵波速度；Vs为横波速度；μ为剪切模量；ρ为质量密度；σ为泊松比；E为弹性模量。

由介质弹性模量和泊松比关系,可得出纵波与横波的速度比

(1)

将(1)代入含有面波速度的瑞雷方程,可得到

(2)

对式(2)进行求解,可得出瑞雷波速度与横波速度的关系式为

上式可写为

VR=k1·Vs

k1称为校正系数,它依赖于泊松比,当泊松比为0.25,0.33,0.40,0.50时,k1值分别为0.92,0.933,0.943,0.956。一般混凝土的泊松比在0.20～0.30,因此对混凝土而言,横波的速度与瑞雷面波的速度可基本认为相等,从该点出发,进行混凝土检测可由瑞雷面波速度得到横波速度。

不同部位的波速和频率变化体现出介质的变化,注浆过程中砂浆逐步填充空隙,从而影响到波速和频率,基于此原理,可用面波法检测注浆填充情况。

3 面波检测方法

3.1 仪器规格和采集参数的设定

(1)仪器规格

地震仪：日本应用地质株式会社McSeis-170f改进型数字地震仪(记录通道：24道；模数转换：16 bit；高截频：4 000 Hz；低截频：30 Hz)。

检波器：美国Geospace动圈式垂直成分速度型检波器(固有频率：100 Hz)。

激发：使用小锤(约500 g)用力敲击钢板作为震源。

(2)采集参数

检波器间距：0.2 m；排列长：0.6 m；震源偏移距：0.4 m；激发方式：重锤敲击。

道数：4道；采样间隔：25 μs,记录长度：0.051 2 s。

检测点密度：0.20 m。

(3)面波测线的设置

表面波探测测线布置如图2所示,在管段底板上根据灌浆孔的布置分区进行试验,每个区沿灌浆孔发散方向各等间距地布置8条测线,对测线进行面波测试。

面波数据采集排列采用4道检波器,检波器间距0.2 m,即一次检测长度0.6 m。

图2 面波检测测线布置(单位：m)

3.2 面波检测现场探测施工方法与检测时间

检波器设置：为保证检测速度,制作φ10 cm塑料管,管内用石膏固定检波器。尽量平稳安放检波器于接触面，以保证检波器与接触面的有效耦合,从而保证数据的质量。

总观测线为10 m/条×2条×3区×2次=120 m。检测工作包括：探地雷达测线：10 m/条×8条×3区×2次=480 m；面波测线：10 m/条×2条×3区×2次=120 m；超声波测线：10 m/条×2条×3区×2次=120 m。测线布置如图3所示,在隧洞底板上根据灌浆孔的布置分3个区(A区、B区、C区)进行试验,每个区沿灌浆孔发散方向各等间距地布置8条测线,各条测线进行探地雷达探测,对A2、A7,B2、B7,C2、C7测线进行面波测试及超声波测试。

图3 测线布置(单位：m)

操作需人员2人,一人移动接收器收集数据,另一人操作收录器进行记录,由于收录器记录数据需要时间,移动接收器也需要时间,这两点限制了检测速度。现场检测分前后两种情况分别进行了5次测试,第1次时间为尚未注浆前,主要是为了采集原始数据,作为注浆后结果的对比依据。第2次时间为对注浆孔A区进行注浆,在注浆的同时进行监测,观察浆液的充填对结果的影响。第3次时间为注浆孔A区中已注入的浆液已经初步凝固,各种介质的界面已经稳定,采集得到的结果和结论将与最后实际观察结果进行比较和验证,验证该方法的可靠性。第4次为对注浆孔B区和注浆孔C区同时注浆,在注浆的同时进行监测。第5次注浆孔中的浆液已经初步凝固,界面形状已经稳定,采集得到的结果和结论将与最后撤去平台后的实际观察结果进行比较和验证。

3.3 记录波形

图4 面波检测记录(波形)

检测记录的波形如图4所示,横坐标为测点距离,纵坐标为时间。从图4中可以看出,波形记录清晰,无明显噪声,质量高。图5是由该波形数据求取的频谱曲线,横坐标为测点距离,纵坐标为频率。由图5中可看出,频谱曲线连续性好,平滑,噪声少,谱能量集中,频谱曲线的精度高。

注浆前后的面波波形记录如图6所示,横坐标为测点距离,纵坐标为时间。在注浆前,不同部位间歇的任意性导致出现不同的波形,注浆过程的波形以此波形为基础进行比较判断；在注浆过程中,初始波形随着浆液的扩散填充而出现即时的变化,当出现浆液扩散不均或充盈不实时可适时调整注浆压力等参数；注浆完成后,波形整体趋同,显示浆液已基本填充完毕。

图5 所示波形所对应的频谱曲线

图6 注浆前后面波检测记录

3.4 数据分析的方法与流程

面波数据分析流程如图7所示。面波数据分析可分为预处理、波形处理、频谱分析3个部分。

图7 面波数据分析流程

预处理：预处理就是为正式的数据分析做准备。主要内容包括数据格式变换和加入位置信息。

波形处理：波形处理主要目的就是找出各种噪声的特点,并找出有效地除去噪声的方法,进而对数据进行除噪声处理。

频谱分析：频谱分析就是从现场数据(面波波形数据)进行FFT分析,主要使用富里叶快速变换(FFT)方法,是面波无损检测的关键步骤之一。

检测时,每条测线各有2个结果图,即,时间断面,频谱断面。其中,时间断面是把波形数据展开在了测线上,频谱断面是把频谱分析结果数据展开在了测线上。从波形分布图的散乱情况判断介质的突变等状况,初始波形图上时间区间在0～0.45 s,不同部位时间长度差异明显,注浆完成后,波形图上时间基本均到0.1 s为止,显示注浆的均匀性与密实性较好。

4 结语

运用面波法对注浆过程中浆液的扩散方向与不同部位的充盈程度做到了实时监测,并对最终注浆填充情况进行了检验,对指导沉管管段基础注浆施工起到了良好效果。

对于介质的检测方法有很多，结合工程特点,在中央大道海河隧道沉管基础注浆试验过程中,采用了面波检测技术,通过与超声波、雷达等其他检测方法对比,具有操作方便、穿透力强、数据分析快捷等特点,检测结果较好的反映了施工实际情况,从而有效地指导施工,保证工程质量,对类似工程具有借鉴意义。

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